被卡钻杆的环向聚能弹爆破切割技术及应用

第31卷第1期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2012年2月Vol.31No.1JournalofLiaoningTechnicalUniversity（NaturalScience）Feb.2012收稿日期：2011-05-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（50874039）；河南省教育厅自然科学基金资助项目（2011A580003）；河南理工大学研究生教育改革基金资助项目（2010YJ05）作者简介：吕小师（1975-），男，山西晋城人，硕士研究生，工程师，主要从事工程爆破方面的研究.本文编校：曾繁慧文章编号：1008-0562(2012)01-0073-04被卡钻杆的环向聚能弹爆破切割技术及应用吕小师1，王光勇1，苗子伟2（1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000；2.河南省煤田地质局物探测量队，河南郑州450000）摘要：为了能有效地通过爆破切割来处理被卡钻杆，运用聚能原理设计了环向聚能切割弹，成功将钻杆沿钻头顶部与钻杆连接处的水平面切断，回收了钻头以上全部钻杆.结合工程实例，介绍了环向聚能切割弹的设计方案，并针对实际施工过程中的药量确定、网路设计、防水措施等作了详细说明，对类似工程施工具有一定的参考价值和指导意义.关键词：控制爆破；被卡钻杆；环向聚能弹；爆破切割；聚能效应；爆炸能量；聚能流；聚能弹结构设计中图分类号：TG482文献标志码：ABlastcuttingtechnologyofhoopcavityeffectcuttershotforrecoveringstuckdrillpipeLVXiaoshi1,WANGGuangyong1,MIAOZiwei2(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.GeophysicalExploration&SurveyingTeam,CoalGeologyBureauofHenanProvince,Zhengzhou450000,China)Abstract:Thehoopcavityeffectcuttershotwasdesignedforusingthecumulativeenergyprincipletorecoverthestuckdrillpipeeffectivelythroughblastcutting.Theplanejointingdrillbitanddrillpipewascutoff,andthewholedrillpipeabovethedrillbitwassuccessfullyrecovered.Combiningwithengineeringpractice,thispaperpresentsthedesignofthehoopcavityeffectcuttershot,andthedetailedexplanationoftheexplosivequantity,networkdesign,waterproofmeasuresintheengineeringpractices.Thetechnologyisveryusefulandsignificanceforasimilarengineeringoperation.Keywords:controlledblasting;stuckdrillpipe;hoopcavityeffectcuttershot;blastingcutting;energyeffect;explosionenergy;cumulativeflow;concentratedbulletstructuredesign0引言某公司在石武客专施工桥墩桩基钻孔时，由于操作手在冒然快速钻进的过程中，未考虑到表层砂土、卵石层桩壁的坍塌，造成埋钻，导致钻具被卡.该被卡钻杆内径为150mm，壁厚为6mm，钻杆材质为低碳合金钢，抗张压强度约为700MPa，屈服强度约为500MPa.如图1，该桩基孔径为1.6m，被卡钻杆钻头被埋约15m，其顶部距地面约14m.卡钻事故是钻机较严重的作业故障，指钻机在钻进或提升施工作业过程中，由于非机械本身故障引起的正反向旋转动作无法正常进行，或者主卷扬无法将钻杆顺利提起的工作状态.由于其处理起来比较困难，因此钻进时特别强调要严格按规定操作和提前预防，但是在实际施工过程中仍不可避免会发生卡钻事故.为尽可能的减少损失，针对此类卡钻事故一般采用控制爆破的方法来处理，一是将爆破药包放置于钻头底部爆炸，利用爆炸生成高压气体推动钻头、解除异物对钻头的约束；二是将爆破药包置于钻头顶部，炸断钻杆，回收钻杆而丢弃钻头[1].此类事故存在着如下特点：①被卡钻杆内径小、强度高、冲击韧性大，而且桩孔内泥浆压力较大；②在爆破之前都曾多方努力想提出被卡钻具，使得孔壁坍塌更加严重，钻杆受到的围岩压力越来越大；③被卡钻杆埋在地面以下，没有爆破作业面，只有选择钻杆内部装药切割爆破，但其内径小，没有足够的装药空间.这此特点都在实际爆破作业时不同程度地给施工增加了难度，因此，多数爆破作业无法取得预想的效果，最后只能选择放弃爆破作业和丢弃钻具，变更选址重新钻孔.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷74针对以上特点，本文运用聚能原理设计了环向聚能切割弹，使炸药爆炸时能在钻头顶部与钻杆连接处的水平面上聚集大量的能量，进而使钻杆沿该平面被切断，成功将钻头以上全部钻杆拨出，回收利用.1环向聚能切割弹设计1.1设计原理大量试验研究证明：直径30mm，高100mm的铸装药柱TNT/RDX50/50，放置在中碳钢板上，上端用雷管引爆.当药柱下端开一个锥形槽时的爆破效果比不开锥形槽的爆破效果要好，而当在锥形槽内放置一个金属罩时的爆破效果会更好，如图2[2].这种在装药一端的空穴称为聚能穴，利用聚能穴来提高局部破坏作用的效应称为聚能效应，其装药爆炸产生的现象称为聚能现象.其作用原理是：当带锥形孔的药柱爆轰后，其爆轰波前进至锥体部分时，孔内爆轰产物会沿着锥孔内表面垂直的方向飞出，由于飞出的速度相同，药形对称，爆轰产物聚集在轴线上，汇聚成一股速度和压力都很高的气流，称为聚能流.于是，爆轰产物的能量集中在较小的面积上，大大提高了对该局部的破坏作用[3]，如图3（a）.当在药柱锥形孔表面加一个金属罩时，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，就将能量传递给了金属罩.由于金属罩的可压缩性很小，因此内能增强很少，能量的极大部分表现为金属罩的动能，可以避免高压区的膨胀而引起的能量分散.同时罩壁在轴线处汇聚碰撞时，使能量密度进一步提高，形成金属射流以及伴随其后的一支运动速度较慢的杵体，如图3（b）.1.2聚能弹结构设计利用上述原理，将上述柱形装药的聚能槽变为环向，制成环向聚能切割弹，并采用TNT（或黑索金）作为作用药，其装药结构如图4[4].这种装药的特点是：当两端同时引爆时，爆轰波在设计平面聚集，形成平面射流，显著加强了横向切割能力[5].1.3聚能弹切割能力分析聚能装药的切割能力是与其形成射流的强度有关的，但目前有关聚能装药切割深度的计算还没有准确的理论公式，大都采用经验公式来计算切割深度0l[6]图1被卡钻杆位置示意图Fig.1schematicdiagramofstuckdrillpipelocation泥浆水面钻杆钻头15cm6mm14m药柱金属罩杵体射流炸高(a)(b)图3聚能射流作用示意图Fig.3schematicdiagramofshapedchargeeffect金属罩图2不同药包的穿孔能力比较Fig.2comparisonofperforationabilitywithdifferentcartridge(a)(b)(c)第1期吕小师，等：被卡钻杆的环向聚能弹爆破切割技术及应用75csiSPlly=0,（1）式中，il为聚能罩特征尺寸；y为与聚能罩形状及炸高有关的参数；cS为被切割物的动态抗压强度；sP为射流碰撞被切割物后驻点压力.根据流体力学理论[7]，建立驻点伯努利方程2iiiss21vPghPgh++=+rr,（2）式中，r为射流密度；iv为射流速度；iP为远离驻点处射流静压.在同一平面上ishh=，且射流在空中飞行时iP可以忽略，因此，式(2)变为221isvPr=.（3）由式（1）和式（3）可计算出所需的射流速度：ryciiSllv20=,（4）式中，il为聚能罩特征尺寸；y为与聚能罩形状及炸高有关的参数；cS为被切割物的动态抗压强度；r为射流密度；0l为切割深度，这里指钻杆壁厚.由式（4）可知，这里il、0l、cS已知，r是一个与装药参数有关的量，y是一个与弹壳材料有关的量.因此射流速度与弹壳材料、装药参数等因素有关，但是结构在强荷载作用下的所发生的拉裂破坏不仅涉及高应变率问题，还涉及材料非线性和几何非线性问题以及流固耦合和边界条件等原因，再加上爆破作业地点位于水下，又涉及了水中冲击波和结构体的相互耦合作用并产生极短时间内的非线性动态响应等复杂现象，这些问题都给工程的理论分析和设计带来很大困难[8].因此，只有通过反复验算与弹壳材料相关的参数，才能得到满足需要的装药参数.2施工组织2.1装药量计算装药量的多少对爆破切割能力有着很大的影响：如果药量过少，则难以把钻杆炸断，达不到预期的爆破效果；如果药量过多，则会将钻杆在切割面处炸成喇叭状或灯笼状，使其与井壁贴紧甚至绞合，加大钻杆与井壁间的摩擦阻力，反而更增加了钻杆回收工作的难度.根据以往的施工经验，采取如图4装药结构可以满足切割要求，其装药量与炸药切割水平面面积成正比，采取经验公式[9]FC25=，（5）式中，C为炸药量；F为炸断面面积；对于需要切割的钻杆()2πFddd=+，其中d为钻杆内径，d为钻杆壁厚.将d=150mm，δ=6mm带入式（5），计算得理论装药量为4670.75g.实际操作过程中，考虑到聚能切割弹无法与钻杆内径完全紧贴，所以装药量比设计值取稍大些，综合分析本工程炸药量选取为5kg.但是，这些药量全装进聚能弹的狭小空间里又是不可能的，因此要在有效的聚能弹空腔内配比选用高猛度的炸药来获取足够当量的爆炸能量.根据普通岩石乳化炸药和TNT的性能参数对比，结合同类施工经验，在实际施工时选用1.6kg的TNT为作用药，其余空隙用乳化炸药填满[10].2.2起爆网路设计为了确保爆轰波能在聚能穴相遇形成射流，增强爆破效果，雷管的布置应严格对称于所设计的平面.同时，为了能够保证顺利起爆，布设8枚瞬发电雷管，在加工聚能弹时要进行电阻检测，选择电阻大小相同的雷管，并采用并串联起爆网路，如图5.这样两端同时起爆，使得爆炸能在起爆瞬间向设计的环向切割面方向传递[11].图4聚能弹剖面图Fig.4thecross-sectionofshapedshells导线孔螺盖弹壳聚能流雷管炸药配重头辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷762.3防水措施由于对该类被卡钻杆的爆破切割作业是在地面以下进行的，受地下水影响很大，因此，在制作聚能切割弹时，防水工作应重点考虑.（1）在作用药两端加一定量的防水乳化炸药.这样既可起到防水的作用，还可降低弹体两端炸药爆炸的威力，控制爆破作业造成杆体的破坏长度.（2）因地下水压随深度增加而增大，所以在弹体封闭盖的丝扣上、导线孔处涂抹502强力胶进行密封，防止地下水从这些缝隙处压入弹体，影响炸药的正常起爆.（3）下放弹体的作业过程和起爆时间间隔应尽量缩短，以减少弹体在水中的浸泡时间.因此，在弹体下放之前，应将切割位置测量准确，可以先试放，在下放吊绳上做好标记.这样既可保证切割位置的准确性，又可为弹体的下放操作带来方便[12].2.4投放起爆一切准备工作做好后，在施工现场将从导线孔预留出的电雷管脚线与起爆母线连接好后，采用防水胶带将接头密封.将聚能弹固定在投放绳上，同时将起爆母线固定在投放绳上，保证起爆母线处理松弛状态.从钻杆内向下投放.在此作业过程中，一人负责下放投放绳，动作要慢，速度要匀，同时另一人负责投放起爆母线，使其不断